2016年培训班超声波检测1.ppt
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1、中南大学中南大学雪飞胜雪飞胜目录1 1超声波的基本知识超声波的基本知识2 23 35 54 46 6 工程应用实例工程应用实例 检测数据分析及判断检测数据分析及判断常见特殊情况的判定和处理常见特殊情况的判定和处理 超声波检测技术超声波检测技术超声波检测系统超声波检测系统超声波的基本知识1.1 超声波的基本知识超声波的基本知识1.2 超声波基本参数超声波基本参数 11.1 超声波的基本知识超声波的基本知识 简谐简谐振振动动-振振动动-波波-超声波超声波振振动动:质质点运点运动动的往复机械运的往复机械运动动,周期性,持,周期性,持续续性,内源性。性,内源性。(震(震动动:非周期性,瞬:非周期性,瞬
2、时时性,外源性)性,外源性)波波动动:不同:不同质质点点间间机械运机械运动动(能量)状(能量)状态态的的传传播播过过程程1.波波动动的物理的物理实质实质是(能量)状是(能量)状态态的一种的一种传递传递形式。形式。2.超声波是超声波是弹弹性介性介质质中的一种机械(中的一种机械(应应力)波。力)波。3.波波动动是振是振动动的的传传播播过过程,振程,振动动是波是波动动的根源。的根源。1.1 超声波的基本知识 波动是物质的一种运动形式,波动可分为两大类:一一类类是机械波是机械波,它由于机械振动在弹性介质中引起的波动过程。例如;水波、声波、超声波等;另一另一类类是是电电磁波磁波,它是由于电磁振荡所产生的
3、变化电场和变化磁场在空间的转播过程,例如无线电波、红外线、紫外线、可见光、雷达波等。1.1 超声波的基本知识 简谐振动的概念简谐振动的概念 如果物体或者质点做周期性的直线振动,且它离开平衡位置的距离与时间的关系可以用正弦函数或余弦函数来表示,这就称为简谐振动。1.1 超声波的基本知识 uu 波的产生与传播波的产生与传播 在弹性介质中,任何一个质点机械振动时,因为这个质点与其邻近的质点间有相互作用的弹性力联系着,所以它的振动将传递给与之相邻近的质点,使邻近的质点也同样地发生振动,然后振动又传给下一个质点,依次类推。这样,振动就由近及远向各个方向以一定速度传播出去,从而形成了机械波和波的传播机械波
4、和波的传播。从上述可知,机械波的产生,首先要有做机械振动的机械波的产生,首先要有做机械振动的波(声)源,其次要有传播这种机械振动的介质。波(声)源,其次要有传播这种机械振动的介质。例如,把石子投入平静的水中,在水面上可以看到一圈圈向外扩展的水波。1.1 超声波的基本知识 根据在介质中质点振动方向与波的传播方向的差别主要分为三种类型的波。纵波(纵波(P P波):质点运动方向平行与波的传播方向波):质点运动方向平行与波的传播方向 传播机制:质点间的压力与拉力传播机制:质点间的压力与拉力横波(横波(S S波):质点运动方向垂直与波的传播方向波):质点运动方向垂直与波的传播方向 传播机制:质点间的剪切
5、力传播机制:质点间的剪切力表面波(表面波(R R波):介质表层质点作椭圆运动波):介质表层质点作椭圆运动 传播机制:质点间的表面张力与剪切力传播机制:质点间的表面张力与剪切力1.1 超声波的基本知超声波的基本知识 1.纵波:质点运动方向平行与波的传播方向。P1.1 超声波的基本知识质点运动方向目前超声脉冲技术中广泛应用的是纵波,如:综合法测强、测缺(不密实区、裂缝深度、结合面质量、匀质性、损伤层厚度等)、基桩完整性检测,岩土工程单孔或跨孔纵波波速测试。2.横波:质点运动方向垂直于波的传播方向。S1.1 超声波的基本知识目前超声脉冲技术中在岩土工程及需要测试介质结构、声学参数中应用横波。3.表面
6、波:固体介质表面受到交替变化的表面张力作用,介质固体介质表面受到交替变化的表面张力作用,介质表面质点发生相应的纵向振动和横向振动,结果使质表面质点发生相应的纵向振动和横向振动,结果使质点做这两种振动的合成运动,即绕其平衡位置作椭圆点做这两种振动的合成运动,即绕其平衡位置作椭圆运动,该质点的运动又波及相邻质点,而在介质表面运动,该质点的运动又波及相邻质点,而在介质表面传播,这种波称为表面波,又称传播,这种波称为表面波,又称R R波。波。1.1 超声波的基本知识4、传播介质的不同u 纵波 :固体,液体,气体u 横波 :固体u 表面波:固体表面 横波的传播是依靠使介质产生剪切变形(局部形状变化)引起
7、的剪应力变化而传播的,它和介质的剪切弹性相关。因液体、气体形状发生变化时,不能产生抗拒形变的剪应力,故只有固体才能传播横波。1.1 超声波的基本知识1.1 超声波的基本知超声波的基本知识 声波是在介声波是在介质质中中传传播的机械波,依据波播的机械波,依据波动频动频率的不同,声波可分率的不同,声波可分为为次声次声波、可波、可闻闻声波、超声波、特超声波。如下表所示。声波、超声波、特超声波。如下表所示。人们所能听到声波频率范围是20Hz20KHz,即可闻声波。超声波是一种人耳听不见频率在(20KHz100MHz)范围内的机械振动波。名称频率范围次声波02101 Hz可闻声波21012104 Hz超声
8、波21041010 Hz特超声波1010Hz用于混凝土声波透射法检测的声波主频率一般为21042.5105 Hz.在超声波检测中,50kHz频率的探头可获得相对最佳分辨率 超声波在介质中传播可检测到的参数:1、声速 超声波传播的速度2、声幅 超声波的波幅3、声频 超声波的频率1.2 超声波基本参数1.2 超声波基本参数固体介质中声波的波速取决于波动方程的形式和介质的弹性常数,而波动方程的形式则取决于波的类型和介质的边界条件,因此,声波在固体介质中的传播速度主要受下列三方面因素的影响:波的类型:由于不同类型的波在固体介质中的传播机理不同,也就导致了传播速度的差异。固体介质的性质:对于弹性介质,主
9、要取决于它的密度、弹性模量、泊松比。这是影响波速的内在因素,介质的弹性特征愈强(E或G愈大),则波速愈高。边界条件:实际上就是固体介质的横向尺寸(垂直于波的传播方向上的几何尺寸)与波长的比值,比值越大,传播速度越快。1、声速:混凝土检测中最常用的参数 声波在介质中传播过程中其振幅将随传播距离的增大而逐渐减小的现象为衰减。声波衰减的大小及其变化不仅取决于所使用的超声频率及传播距离,也取决于被检测材料的内部结构及性能。因此研究声波在介质中的衰减情况将有助于探测介质的内部结构及性能。1.2 超声波基本参数2、声幅:反映材料衰减特性的参数引起衰减的分为以下三种类型引起衰减的分为以下三种类型u 材料的粘
10、滞性质(吸收衰减)u 材料的结构特性(散射衰减)u 材料的几何特性(扩散衰减)1.2 超声波基本参数超声波的衰减:吸收衰减超声波的衰减:吸收衰减 声波在固体中传播时,部分声能会转化为热能等。一般认为吸声波在固体中传播时,部分声能会转化为热能等。一般认为吸收衰减系数收衰减系数a a。与声波频率的一次方、频率的二次方成正比。与声波频率的一次方、频率的二次方成正比。吸收衰减的概念。声波在介质中传播时,部分机械能被介质转换成其他形式的能量(如热能)而丧失,这种衰减现象称为吸收衰减。1.2 超声波基本参数超声波的衰减:散射衰减超声波的衰减:散射衰减 当介质中存在颗粒状结构(如固体介质中的颗粒、缺陷、掺杂
11、物等)而导致声波能量的衰减。如在混凝土中一方面其中的粗骨料构成许多声学界面,使声波在这些界面上产生多次反射、折射和波型转换;另一方面微小颗粒在超声波的作用下产生新的震源,向四周发射声波,使声波能量的扩散到达最大。散射衰减的概念。声波在一种介质中传播时,因碰到另一种介质组成的障碍物而向不同方向发生散射,从而导致声波衰减(即声波的定向性减弱)的现象称为散射衰减。1.2 超声波基本参数超声波的衰减:扩散衰减超声波的衰减:扩散衰减 通常这类衰减主要源于声波传播过程中,因波阵面的面积扩大,导致波阵面上的能流密度减弱。扩散衰减的大小主要取决于声源辐射器的扩散性能及波的几何形状,而与传播介质的性质无关。1.
12、2 超声波基本参数3、频率:反映超声波强度正负交变快慢的参数u反映材料的吸收特性u反映材料的频散特性u影响材料的尺寸效应1.2 超声波基本参数超声波检测系统2.1 超声波仪超声波仪2.2 换能器换能器2.3 系统声时校正系统声时校正2.4 声测管声测管22.1 超声波仪超声波仪是混凝土灌注桩缺陷检测的基本装置。它的作用是产生重复的电脉冲并激励发射换能器。发射换能器发射的超声波经耦合进入混凝土,在混凝土中传播后被接收换能器接收并转换为电信号,电信号送至超声仪,仪器绘制并记录下波形。建筑规范(JGJ 106 2014)对超声波仪的技术要求u具有实时显示和记录接收信号的时程曲线以及频率测量或频谱分析
13、的功能。u 最小采样时间间隔小于或等于0.5s,声波幅值测量相对误差小于5%,系统频带宽度为1200kHz,系统最大动态范围不小于100dB。u声波发射脉冲为阶跃或矩形脉冲,电压幅值为2001000V。u具有首波实时显示功能。u具有自动记录声波发射与接收换能器位置功能。2.1 超声波仪建筑规范(JGJ 106 2014)对传感器的技术要求u圆柱状径向振动,沿径向无指向性u外径小于声测管内径,有效工作段长度不大于150mmu谐振频率为3060kHzu水密性满足1MPa水压不渗水2.2 超声波换能器2.3 系统零时校正零时校正的由来u 发射机的延迟u 发射换能器的延迟 u 接收换能器的延迟2.3
14、系统声时校正u 电延迟时间电延迟时间:发出触发电脉冲并开始计时的瞬间到电发出触发电脉冲并开始计时的瞬间到电脉冲开始作用到压电体的时刻脉冲开始作用到压电体的时刻,电路的触发、转换。电路的触发、转换。uu 电声转换时间:电脉冲加到压电体瞬间到产生振动电声转换时间:电脉冲加到压电体瞬间到产生振动发出声波瞬间有电声转换的延迟。发出声波瞬间有电声转换的延迟。uu 声延迟:声波要通过换能器壳体或辐射体。声延迟:声波要通过换能器壳体或辐射体。2.3 系统声时校正零时校正的方法零时校正的方法u发射接收换能器直接对测u时距法测定空气中的声速u径向换能器水中测定声速2.3 系统声时校正时距法测定空气中声速u 轴线
15、重合对测u 间距误差小于0.5%u 测点不少于10个2.3 系统声时校正时距法测定空气中声速(数据处理)2.3 系统声时校正径向换能器测定水中声速与校零值u 换能器收轴线平行u 置于清水中同一水平高度u 数据处理类似于空气中的测试2.3 系统声时校正径向换能器空气中测定校零值u 换能器中部十字交叉叠放在一起u 仪器上增益设置较大,如200u 读取出首波时间u 此种方法注意有时应用于考试和能力验证时2.3 系统声时校正例题、将收发声波换能器置于清水中,在换能器内将收发声波换能器置于清水中,在换能器内侧净距离侧净距离d1=600mmd1=600mm、d2=300mmd2=300mm时,仪器测得声时
16、读时,仪器测得声时读数分别为数分别为t1=420ust1=420us、t2=210ust2=210us。请计算出仪器的系。请计算出仪器的系统延时统延时t0t0解:计算水的声速解:计算水的声速 则则 2.3 系统声时校正2.4 声测管1、声测管的埋设数量要求2、声测管的材质要求3、声测管的尺寸要求4、声测管的连接与埋设1、声测管的埋设数量要求声测管是声波透射法测桩时,径向换能器的通道,其埋设数量决定了检测剖面的个数(检测剖面数为(n为声测管数),同时也决定了检测精度:声测管埋设数量多,则两两组合形成的检测剖面越多,声波对桩身混凝土的有效检测范围更大、更细致,但需消耗更多的人力、物力,增加成本;减
17、小声测管数量虽然可以缩减成本,但同时也减小了声波对桩身混凝土的有效检测范围,降低了检测精度和可靠性。2.4 声测管1234沿直径布置沿直径布置呈三角形布置呈三角形布置呈四方形布置呈四方形布置桩径桩径D800mmD800mm时,埋设两根声测管时,埋设两根声测管800mm800mm桩径桩径D 1600mmD 1600mm时,埋设三根声测管时,埋设三根声测管桩径桩径DD1600mm1600mm时,埋设四根声测管时,埋设四根声测管建筑JGJ106-2014规范要求2.4 声测管2、声测管的材质要求 有足够的强度和刚度,保证在混凝土灌注过程中不会变形、破损,声测管材料的温度系数应与混凝土接近,声测管外壁
18、与混凝土粘结良好,不产生剥离缝,影响测试结果。有较大的透声率:一方面保证发射换能器的声波能量尽可能多地进入被测混凝土中,另一方面,又可使经混凝土传播后的声波能量尽可能多地被接收换能器接收,提高测试精度。2.4 声测管3、声测管的尺寸要求声测管内径大,换能器移动顺畅,但管材消耗大,且换能器居中情况差;内径小,则换能器移动时可能会遇到障碍,但管材消耗小,换能器居中情况好。因此,声测管内径通常比径向换能器的直径大1020mm即可。现在的增压式换能器直径为20mm左右,因此,一般选用40号钢管(外径48mm,内径42mm)。选配直径较小的径向换能器可减小声测管的直径,节约检测成本。声测管的壁厚对透声率
19、的影响较小,一般不作限制,但从节约成本的角度出发,管壁在保证一定刚度(承受新浇混凝土的侧压力)的前提下,尽可能薄一点。2.4 声测管4、声测管的连接与埋设用作声测管的管材一般都不长(钢管为用作声测管的管材一般都不长(钢管为6m6m长一根)长一根)当受检桩较长时,需把管材一段一段地联结,接口必须当受检桩较长时,需把管材一段一段地联结,接口必须满足下列要求:满足下列要求:有足够的强度和刚度,保证声测管不致因受力而有足够的强度和刚度,保证声测管不致因受力而弯折、脱开;弯折、脱开;有足够的水密性,在较高的静水压力下,不漏浆;有足够的水密性,在较高的静水压力下,不漏浆;接口内壁保持平整通畅,不应有焊渣、
20、毛刺等凸接口内壁保持平整通畅,不应有焊渣、毛刺等凸出物,以免妨碍接头的上、下移动。出物,以免妨碍接头的上、下移动。通常有两种联结方式:螺纹联结和套筒联结通常有两种联结方式:螺纹联结和套筒联结 2.4 声测管4、声测管的连接与埋设2.4 声测管4、声测管的连接与埋设声测管一般用焊接或绑扎的方式固定在钢筋笼内侧,声测管一般用焊接或绑扎的方式固定在钢筋笼内侧,在成孔后,灌注混凝土之前随钢筋笼一起放置于桩孔中,在成孔后,灌注混凝土之前随钢筋笼一起放置于桩孔中,声测管应一直埋到桩底,声测管底部应密封,如果受检桩声测管应一直埋到桩底,声测管底部应密封,如果受检桩不是通长配筋,则在无钢筋笼处的声测管间应设加
21、强箍,不是通长配筋,则在无钢筋笼处的声测管间应设加强箍,以保证声测管的平行度。以保证声测管的平行度。安装完毕后,声测管的上端应用螺纹盖或木塞封口,以安装完毕后,声测管的上端应用螺纹盖或木塞封口,以免落入异物,阻塞管道。免落入异物,阻塞管道。声测管的连接和埋设质量是保证现场检测工作顺利进行声测管的连接和埋设质量是保证现场检测工作顺利进行的关键,也是决定检测数据的可靠性以及试验成败的关键的关键,也是决定检测数据的可靠性以及试验成败的关键环节,应引起高度重视。环节,应引起高度重视。2.4 声测管4、声测管的连接与埋设2.4 声测管超声波检测技术3.1 检测原理和方法检测原理和方法3.2 现场检测现场
22、检测3.3 检测参数与混凝土质量关系检测参数与混凝土质量关系3基桩成孔后,灌注混凝土之前,在桩内预埋若干根声测管作为声波发射和接收换能器的通道,在桩身混凝土灌注若干天后开始检测,用声波检测仪沿桩的纵轴方向以一定的间距逐点检测声波穿过桩身各横截面的声学参数,然后对这些检测数据进行处理、分析和判断,确定桩身混凝土缺陷的位置、范围、程度,从而推断桩身混凝土的连续性、完整性和均匀性状况,评定桩身完整性等级。12343.1 检测原理和方法1、检测原理3.1 检测原理和方法1、检测原理 基桩声波透射法完整性检测的基本原理 用人工的方法在混凝土介质中激发一定频率的弹性波,该弹性波在介质中传播时,遇到混凝土介
23、质缺陷会产生反射、透射、绕射、散射、衰减,从而造成穿过该介质的接收波波幅衰减、波形畸变、波速降低等。由接收换能器接收的波形,对波的到时、波幅、频率及波形特征进行分析,判断混凝土桩的完整性及缺陷的性质、位置、范围及缺陷的程度。3.1 检测原理和方法1、检测原理 什么叫反射波?什么叫透射波 当声波在传播过程中从一种介质到达另一种介质时,在两种介质的分界面上,一部分声波被反射,仍然回到原来的介质中,称为反射波;另一部分声波则透过界面进入另一种介质中继续传播,称为折射波(透射波)。例:例:当平面波从混凝土入射到混凝土与水的交接面时,当平面波从混凝土入射到混凝土与水的交接面时,Z1Z1(混凝土)(混凝土
24、)=100*104g/=100*104g/(cm2*scm2*s),),Z2Z2(水)(水)=14.0*104g/=14.0*104g/(cm2*scm2*s),计算声压),计算声压反射率、透射率。反射率、透射率。解:解:可以得到:可以得到:Rr=-0.754 Rd=0.246Rr=-0.754 Rd=0.246即反射声压为入射波声压即反射声压为入射波声压76.4%76.4%负号表示反射波与入射波反相,透射负号表示反射波与入射波反相,透射声压为入射波声压为入射波24.6%24.6%。1.2 超声波基本参数3.1 检测原理和方法2、检测方法 按照超声波换能器通道在桩体中的不同的布置方式,超声波透
25、射法基桩检测有三种方法:(1)桩内单孔透射法2发射换能器3接收换能器4声波检测仪3.1 检测原理和方法(1)桩内单孔透射法 在某些特殊情况下只有一个孔道可供检测使用,例如在钻孔取芯后,我们需进一步了解芯样周围混凝土质量,作为钻芯检测的补充手段,这时可采用单孔检测法,此时,换能器放置于一个孔中,换能器间用隔声材料隔离(或采用专用的一发双收换能器)。超声波从发射换能器出发经耦合水进入孔壁混凝土表层,并沿混凝土表层滑行一段距离后,再经耦合水分别到达两个接收换能器上,从而测出超声波沿孔壁混凝土传播时的各项声学参数。需要注意的是,当孔道中有钢质套管时,由于钢管影响超声波在孔壁混凝土中的绕行,故不能用此法
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